聚合物/富勒烯太阳能电池光活性层形貌的超分子调控及稳定化

在聚合物/富勒烯太阳能电池研究中，对光活性层的薄膜形貌进行调控并提高其稳定性是获得高效稳定电池的关键。本项目旨在探索研究聚合物/富勒烯太阳能电池光活性层形貌和稳定性优化的新思路和新方法，通过调节聚合物/富勒烯共混体系中的超分子相互作用，对体系的微相分离结构及热、动力学性质进行调控，实现光活性层形貌优化及稳定性的提高。为此，研究中将设计制备"形状两亲性"分子作为添加组分调节混体系中π-π作用，或通过化学修饰方法在共混体系引入氢键作用，研究新型共混体系的热力学及相变性质，并以新型共混体系进行电池光活性层制备，开展形貌调控研究，考察光活性层形貌稳定性及电池光转换电性能，为进一步获得高效稳定的太阳能电池提奠定基础。

在新型薄膜太阳能电池研究中，对光活性层的薄膜形貌进行调控并提高其稳定性是获得高效稳定电池的关键。本项目通过在光活性层中引入同时与给体及受体材料分子相互作用的新型小分子光吸收材料，形成三元共混体系，从而改善薄膜形貌的稳定性，进一步研究小分子在薄膜光吸收层体系中的含量来调控其吸光特性。在研究后期，由于钙钛矿类型太阳能电池的光电转换效率取得了国际瞩目的突破性进展，为跟踪国际热点我们及时调整了部分研究内容，在有机太阳能电池的基础上包括了钙钛矿太阳能电池的相关研究内容。研究中我们采用二氧化钛纳米棒阵列取代PCBM作为受体材料，以钙钛矿/小分子光染料为光吸收层进行了器件制备研究并利用不同纳米棒长度对器件的界面进行调控；进一步采用新型的半导体量子点修饰二氧化钛纳米棒阵列作为受体材料，改善钙钛矿光吸收层与受体之间的界面特征，从而提高光伏器件的整体性能和稳定性。通过以上研究，我们取得的结果如下：（i）具有特定结构的有机小分子引入有机太阳能光伏器件之后，改善了有机光伏器件在可见及近红外区域吸收谱带窄的弱点，在一定程度上增加了对不同波段光子的吸收，以此法得到的电池器件得到了较高的光电流；（ii）二氧化钛纳米棒阵列作为受体材料，增强了给体与受体之间的界面稳定性，同时为载流子的传输提供了稳定的通道；（iii）新型的半导体量子点修饰的引入具有高度新颖性，该种结构在不改变电池开路电压的前提下，极大地提高了器件的整体性能，特别是对电池光电流的提高尤为显著。通过对该类器件在一定条件下退火实验的研究，发现该类结构的可以有效提升光吸收层的形貌稳定性，这表明该类结构作为受体材料能极大提高电池的稳定性。研究中采用新型纳米结构得到的光伏器件的光电转换效率达到10%左右，从而为后续项目的进一步研究提了坚实的实验基础。